Εφαρμογή χωρικών διαμορφωτών φωτός σε σύνθετο φως στροβίλου

Φόντο

Φαινόμενα στροβίλου παρατηρούνται στη ζωή, όπως οι στροβιλισμοί στις μπανιέρες που εμφανίζονται κατά την αποστράγγιση του νερού, οι στροβιλισμοί από τα απόνερα που αποκολλώνται από τα πλοία καθώς ταξιδεύουν, οι ανεμοστρόβιλοι, οι τυφώνες και η κυκλοφορία των ωκεανών. Το φως στροβίλου (που φέρει τροχιακή στροφορμή, OAM) ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά και εφαρμόστηκε κυρίως στον τομέα της οπτικής, δηλαδή στην παραγωγή φωτονίων στροβίλου και δεσμών στροβίλου, και η έννοια των δεσμών στροβίλου προτάθηκε για πρώτη φορά από τους Coullet et al. το 1989. Το 1922, οι L. Allen et al. απέδειξαν θεωρητικά την ύπαρξη OAM σε δέσμες στροβίλου, γεγονός που ώθησε τον τομέα στο προσκήνιο παγκοσμίως.

Σε σύγκριση με το παραδοσιακό φως στροβίλου ενός δακτυλίου, το σύνθετο φως στροβίλου (COV) είναι ένα σύνθετο πεδίο φωτός που συνδυάζεται με πολλαπλά φώτα στροβίλου και επομένως έχει πιο σύνθετες και ποικίλες ιδιότητες, γεγονός που επιτρέπει πιο διαφοροποιημένες δυνατότητες εφαρμογής σε διαφορετικούς τομείς.

Για παράδειγμα, στον χειρισμό σωματιδίων, το σύνθετο φως στροβίλου μπορεί να παράγει δέσμες φωτός με διαφορετική τροχιακή στροφορμή, επιτρέποντας πιο σύνθετο χειρισμό σωματιδίων. Στην οπτική επικοινωνία, το σύνθετο φως στροβίλου μπορεί να μεταδώσει περισσότερες πληροφορίες στην ίδια οπτική διαδρομή, κάτι που έχει μεγάλη σημασία για τη συνεχή επέκταση της χωρητικότητας της οπτικής επικοινωνίας.

Ως ένας από τους κύριους τρόπους διαμόρφωσης του οπτικού πεδίου, οι διαμορφωτές χωρικού φωτός χρησιμοποιούνται ευρέως σε διάφορους τομείς λόγω της ευκολίας λειτουργίας τους και της ικανότητάς τους να παράγουν καλά εφέ απεικόνισης, και η χρήση τους για την παραγωγή φωτός στροβίλου έχει ευρεία προοπτική εφαρμογής τόσο στην οπτική επικοινωνία όσο και στον χειρισμό σωματιδίων.

Περίληψη

Ένας οπτικός στρόβιλος είναι μια δέσμη με ελικοειδές φάσμα κύματος με τροχιακή στροφορμή (OAM) που μπορεί να μεταφέρει διαφορετικούς τοπολογικούς αριθμούς φορτίου. Οι πρόσφατες εξελίξεις στην έρευνα για τις δέσμες στροβίλου έχουν φέρει επανάσταση σε εφαρμογές δέσμης, όπως ο προηγμένος οπτικός χειρισμός, οι οπτικές επικοινωνίες υψηλής χωρητικότητας και η απεικόνιση υπερ-ανάλυσης. Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι οι μέθοδοι δημιουργίας και ανίχνευσης δέσμης στροβίλου είναι κρίσιμες για τις εφαρμογές δέσμης στροβίλου.

Αρχή της παραγωγής

Οι μέθοδοι παραγωγής που βασίζονται στο χωρικό φως περιλαμβάνουν κυρίως τη μέθοδο της σπειροειδούς πλάκας φάσης, τη μέθοδο του χωρικού διαμορφωτή φωτός, τη μέθοδο του ολογραφικού πλέγματος και τη μέθοδο του φακού στήλης. Μεταξύ αυτών, ένας χωρικός διαμορφωτής φωτός είναι μια οπτοηλεκτρονική συσκευή που μπορεί να διαμορφώσει χωρικά ορισμένες ή όλες τις φυσικές πληροφορίες, όπως το πλάτος, τη φάση και την κατάσταση πόλωσης ενός φωτεινού κύματος.

Χρησιμοποιώντας το ηλεκτροοπτικό φαινόμενο των υγρών κρυστάλλων, ο χωρικός διαμορφωτής φωτός μπορεί να υλοποιηθεί για να διαμορφώνει το πλάτος και τη φάση του προσπίπτοντος φωτεινού κύματος, έτσι ώστε το φωτεινό κύμα να πραγματοποιεί τον μετασχηματισμό μετώπου κύματος. Ο χωρικός διαμορφωτής φωτός μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε για τη φόρτωση ενός ολογράμματος για τον σχηματισμό ενός φωτός στροβίλου, είτε προαιρετικά για την εισαγωγή πληροφοριών φάσης από μια ελικοειδή πλάκα φάσης.

Δέσμες στροβίλου που αντιστοιχούν σε διαφορετικούς τοπολογικούς αριθμούς φορτίου (εικόνα από εσωτερικές μετρήσεις)

Πειραματική υλοποίηση

Σε αυτό το πείραμα, το λέιζερ που επιλέχθηκε να χρησιμοποιηθεί είναι ένα λέιζερ He-Ne με μήκος κύματος 632,8 nm. Η πειραματική οπτική διαδρομή φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Το λέιζερ διέρχεται πρώτα μέσα από ένα σύστημα διασποράς δέσμης με παράλληλη ευθυγράμμιση για να σχηματίσει ένα πεδίο φωτός μεγάλης μορφής σχεδόν επίπεδης κορυφής και στη συνέχεια διέρχεται από έναν πολωτή πριν φτάσει στον διαμορφωτή χωρικού φωτός, όπου τοποθετείται μια ασπίδα φωτός ακριβώς μπροστά από τον διαμορφωτή χωρικού φωτός.

Το φως λέιζερ φτάνει στον διαμορφωτή χωρικού φωτός μετά τη διαμόρφωση της έντασης του φωτός από τη μάσκα. Μετά τη διαμόρφωση φάσης, το λέιζερ ανακλάται σε έναν άλλο πολωτή και τα πειραματικά αποτελέσματα μπορούν να παρατηρηθούν μετά από αυτόν τον πολωτή. Εδώ, επειδή η περιοχή απεικόνισης του διαμορφωτή χωρικού φωτός είναι 15,36 mm × 8,64 mm, η οποία είναι πολύ μεγαλύτερη από την περιοχή λήψης εικόνας του CCD, η εικόνα λαμβάνεται από το CCD μέσω του συστήματος 4f.

Πειραματική συσκευή

Ο διαμορφωτής χωρικού φωτός που χρησιμοποιήθηκε σε αυτό το πείραμα είναι ο FSLM-2K70-P02 μας και οι κύριες παράμετροί του είναι οι εξής:

Αποτελέσματα

(α)-(δ) δείχνουν τις κατανομές έντασης φωτός που παράγονται όταν τα τοπολογικά φορτία είναι 2,5, -5,10, αντίστοιχα.

Τα σχήματα (α)(β) δείχνουν δύο αποχρώσεις δακτυλιοειδούς σπειροειδούς πλάκας φάσης (ASPP) με το ίδιο πλάτος δακτυλίου αλλά διαφορετικές ακτίνες με αδιαφανή κέντρα. Τα r1, r2 των δύο είναι 1,2 mm, 2,4 mm, 2,4 mm, 3,6 mm, αντίστοιχα.

Τα Σχήματα (c)(d) δείχνουν τις εικόνες που λαμβάνονται ορίζοντας το τοπολογικό φορτίο του χωρικού διαμορφωτή φωτός στο 2 και τοποθετώντας διαφορετικές μάσκες φωτός μπροστά από τον χωρικό διαμορφωτή φωτός. Τα Σχήματα (e)(f) δείχνουν τις εικόνες που παρατηρούνται μετά τη ρύθμιση του αριθμού τοπολογικού φορτίου στο 10.

Το Σχήμα (α) δείχνει τις αποχρώσεις της σύνθετης συσκευής παραγωγής φωτός στροβίλου.

Το Σχήμα (β) δείχνει την κατανομή έντασης φωτός που παράγεται όταν τα εσωτερικά και εξωτερικά τοπολογικά φορτία είναι 1 και 3, αντίστοιχα.

Το Σχήμα (γ) δείχνει την κατανομή της έντασης του φωτός όταν ο τοπολογικός αριθμός φορτίου είναι σταθερός και η αδιαφανής λωρίδα έχει αφαιρεθεί.

Το Σχήμα (δ) δείχνει την κατανομή της έντασης του φωτός αφού τα τοπολογικά φορτία διατηρηθούν σταθερά και οι λωρίδες αντικατασταθούν με διαφανείς.

Τα σχήματα (ε) και (στ) δείχνουν τις κατανομές έντασης φωτός που δημιουργούνται όταν τα εσωτερικά και εξωτερικά τοπολογικά φορτία είναι 5,1; 20,1, αντίστοιχα.

Σύναψη

Η διαμόρφωση της έντασης και της φάσης του φωτός πραγματοποιείται συνδυάζοντας μια μάσκα φωτός και έναν χωρικό διαμορφωτή φωτός τύπου φάσης, και η ικανότητα της σύνθετης συσκευής παραγωγής φωτός στροβίλου να παράγει COV και τα χαρακτηριστικά της επαληθεύονται πειραματικά, καθώς και τα χαρακτηριστικά της σπειροειδούς πλάκας φάσης (SPP) και της δακτυλιοειδούς σπειροειδούς πλάκας φάσης (ASPP) στην παραγωγή φωτός στροβίλου.

Η συσκευή παραγωγής σύνθετου φωτός στροβίλου που σχεδιάστηκε σε αυτή την εργασία μπορεί να σχηματίσει οποιονδήποτε αριθμό ομόκεντρων δακτυλίων ανάλογα με τις απαιτήσεις χρήσης. Αυτό το σύνθετο φως στροβίλου θα έχει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών στους τομείς των οπτικών επικοινωνιών και του χειρισμού σωματιδίων.